Radio Cognitive

LA RADIO COGNITIVEProjet ralis par

Insa Ngom et Louis Diouf

Master Professionnel Tlcommunications

2007/2008

LA RADIO COGNITIVE

SOMMAIREINTRODUCTION .2

I. DEFINITION ET PRINCIPES .3 1. Radio cognitive idale .4 2. Innovations techniques 5 II. ARCHITECTURE DE LA RADIO COGNITIVE 8 1. Les composants fonctionnels de larchitecture 8 2. Le cycle de cognition ..11 a) La phase dobservation .12 b) La phase dorientation ...13 c) La phase de planification ..13 d) La phase de dcision .14 e) La phase daction ..14 f) La phase dapprentissage ..14 III. APPLICATIONS .15 1. Amlioration de l'efficacit spectrale.............................................15 2. Amlioration de la fiabilit du lien ................................................18 3. Topologie avance du rseau ........................................................19 4. Les techniques de collaboration ....................................................20 5. Automatisation de la gestion des ressources Radio ......................22 CONCLUSION ...23 GLOSSAIRE ...24 REFERENCES ....25

1Master Pro Tlcoms 2007/2008

LA RADIO COGNITIVE

INTRODUCTIONLa rcente et rapide volution des technologies sans fil entraine une forte demande en termes de ressources spectrales. Pour palier ce problme il faut une bonne gestion du spectre et donc une utilisation plus efficace de celui-ci. Cest dans ce cadre que des tudes sont menes dans le domaine de la radio cognitive par des chercheurs tels que ceux de linstitut Eurocom. La radio cognitive est un systme qui permet un terminal de pouvoir interagir avec son environnement. Cela signifie que celui-ci sera capable de percevoir son environnement, de le modliser et de sy adapter. Il pourra donc dtecter les frquences libres et les utiliser, contribuant ainsi une meilleure efficacit spectrale. Nous allons tudier dans ce projet la radio cognitive dans ses diffrents aspects : Principes, Architecture et Applications.


LA RADIO COGNITIVE

I/ Dfinition et principes de la radio cognitiveLe terme de radio cognitive a t frquemment utilis pour parler dun systme capable de prendre conscience de son environnement et de tirer profit de cette information. Parfois, il est considr de faon plus restrictive comme un systme disposant dune grande agilit en frquence pour explorer les opportunits qui peuvent exister dans le spectre frquentiel. La radio cognitive est une technologie qui fait appel lintelligence des rseaux et des terminaux pour : dtecter les besoins de communications des utilisateurs en fonction de l'utilisation fournir des ressources radio et les services sans fil les plus appropris ces besoins Pour ce faire, la radio cognitive doit disposer de trois principales capacits : aware : cest la capacit prendre conscience de son environnement. Un terminal radio cognitif associera donc environnement spatial, spectral et comportement des usagers ; pour une meilleure prise en conscience du provisionnement en ressources et un meilleur service. adaptation : cest la capacit sadapter soit soit lenvironnement (spectral ou technologique), soit lutilisateur (besoins et scurit). Ladaptation lenvironnement spectrale est la capacit choisir les meilleures bandes de frquences et ainsi optimiser lutilisation du spectre. Cela revient : Connatre loccupation des bandes de frquences en temps rel Adapter les puissances mises / marges en rception / Formes dondes Adapter le dbit en temps rel en fonction de la place disponible Prendre en compte un partage temporel

Partage du spectre


LA RADIO COGNITIVE

Cette adaptation spectrale favorise le partage des bandes de frquences (Notre communication nest pas brouille et ne brouille pas dautres communications.), la mobilit et les compromis entre QoS, densit et porte. Lexploitation du spectre devra donc se faire de faon opportuniste sans gner les autres utilisateurs et en mettant en place des techniques de gestion de priorit directement au niveau du terminal. Ladaptation lutilisateur quant elle se dfinit comme la capacit reconnaitre lutilisateur. Cela est possible grce des techniques telles que la reconnaissance vocale et la biomtrie. En cas de perte ou de vol du terminal, les donnes de lutilisateur sont donc protges. Un terminal radio cognitif pourra aussi percevoir ltat de lutilisateur et ragir en consquence. Par exemple, si lutilisateur est victime dune crise cardiaque, son terminal peut alerter automatiquement un centre de soins. En effet il peut dtecter la frquence cardiaque de lutilisateur grce un PAN ultra-large bande. Le PAN se renseigne en premier lieu de limminence de lattaque, puis alerte le centre le plus proche. cognition : La cognition regroupe les divers processus mentaux allant de l'analyse perceptive de l'environnement la commande motrice (en passant par la mmorisation, le raisonnement, les motions, le langage). Cette dfinition dpasse donc le seul cadre de la cognition humaine ou animale. La radio cognitive est donc un systme qui peut percevoir son environnement, lanalyser, le mmoriser et agir en consquence. On peut par exemple imaginer un tlphone qui puisse apprendre la localisation des frquences radios sans tre programm. Il pourrait crer une base de donnes de vecteurs de localisation (latitude, la longitude, l'heure, frquences radios). Supposons que la technologie comprenne un algorithme de reconnaissance des formes qui dtecte une squence de vecteurs le long de laquelle le signal svanouit profondment pendant plusieurs minutes. Cet algorithme de reconnaissance des formes pourrait dcider dun handover non pas sur la puissance de signal reu mais sur la localisation. Le tlphone anticiperait donc sur laffaiblissement du signal pour toujours tre mieux connect ( always best connected ).

1) Radio cognitive idaleUne radio cognitive idale se dfinit comme un systme de communications sans fil avec les capacits fonctionnelles suivantes : 1. Dtection: RF, audio, vido, temprature, acclration, emplacement, et autres. 2. Perception: dtermination de ce qui est dans la "scne" grce des capteurs de domaines. 3. Orientation: Evaluer la situation et dterminer si elle est familire. Ragir immdiatement, si ncessaire. Lorientation en temps rel ncessite une mmoire associative.4Master Pro Tlcoms 2007/2008

LA RADIO COGNITIVE

4. Planification: Identifier les actions alternatives prendre sur une ligne de temps de dlibration. 5. Dcisions: Dcider entre les actions du candidat, en choisissant la meilleure action. 6. Action: Exercer des effets dans l'environnement, y compris RF, Homme-machine, et les communications machine-machine. 7. Apprentissage automatique: partir de l'exprience acquise de 1-6. Les systmes cognitifs observent, orientent, planifient, dcident et agissent, en tout temps apprenant d'eux mme et de leur environnement afin d'tre plus efficaces au fil du temps. Les projets sur la radio cognitive devront sinscrire de faon gnrale dans le cadre de la mobilit, de linteroprabilit, et sarticuler autour des terminaux en traitant des points suivants : Dcouverte du contexte et adaptation : il sagit l de lobjectif gnral de la radio cognitive Gestion des ressources (nergie, spectre) : de faon prioritaire, il sagira de se concentrer sur la gestion du spectre. Cependant, en abordant les aspects rseaux et le partage dinformation entre les terminaux.

Le niveau physique sera galement tudi en dtail : Composants reconfigurables : Il est ncessaire dtendre la notion de radio logicielle au contexte de radio cognitive. Gestion du spectre interfaces radio : des interfaces radio spcifiques, permettant damliorer les capacits de gestion du spectre des terminaux. Filtrage : Le dveloppement de terminaux opportuniste impose des contraintes toutes particulires sur le filtrage. Politiques de routage

2) Innovations technologiquesPour fonctionner, les systmes bass sur une utilisation opportuniste du spectre, devront disposer de nouveaux outils, qui doivent tre dvelopps afin de connatre lenvironnement spectral et de conformer le systme aux nouveaux critres optimiser (ne pas interfrer avec les autres systmes tout en offrant une QoS, mcanismes dallocation agile des ressources,).


LA RADIO COGNITIVE

En effet la radio cognitive ncessite dtre quipe : de systmes pour sonder la ressource frquentielle, o en premire approche afin de dvaluer si la ressource est utilise (de faon analogique ou numrique), o en seconde approche, identifier le type de communication utilis Evaluer si une ressource frquentielle est libre ou non peut tre relativement ais pour des modulations analogiques ou bandes troites mais devient plus complexe dans le cas de modulations numriques qui peuvent tre tales. Dans ce cas, lestimation des paramtres techniques des modulations ncessite de recourir des solutions aveugles. Dans ce cadre, un large ventail de solutions pourra tre analys ainsi que limpact sur la couche physique. Cette fonction de reconnaissance du spectre peut tre dporte au niveau du rcepteur (partie analogique) soit en utilisant une seconde voie de moins bonne qualit soit en utilisant la mme voie et des mthodes particulires lies la connaissance du signal reu. de mcanismes protocolaires o pour allouer les ressources exploitables o valuer les interfrences gnres et subies par la radio opportuniste Dans ce contexte de radio cognitive/opportuniste, diffrents critres peuvent tre optimiss afin de grer le lien radio. Il est ainsi possible de ne permettre lutilisation de ces concepts quau prix dune dgradation infime des autres systmes utilisant la mme ressource radio. Ceci ncessite une interaction entre la couche physique et les couches suprieures pour grer au mieux les interfrences gnres et au besoin interrompre le lien en cas dmission prioritaire par un autre systme. Dans ce contexte diffrentes voies sont explorer en fonction de la connaissance de loccupation frquentielle. A une chelle plus importante, il est ncessaire de connatre lenvironnement radiofrquence sur la porte du lien radio. Ainsi, il est envisageable que la radio cognitive couvre des rgions importantes dans lesquelles dautres systmes de couverture plus modestes (et donc de puissances infrieures) ne sont pas dtects par les extrmits du lien (metteur-rcepteur). Dans ce cas, il est ncessaire que le systme puisse obtenir cette information par un autre moyen, par exemple via dautres radios cognitives en porte.6Master Pro Tlcoms 2007/2008

LA RADIO COGNITIVE

des couches physiques robustes : o aux interfrences (dtection par le rcepteur ou le modem) o aux changements de ressource o lagilit requise de la couche physique

Afin de garantir le maximum de souplesse la radio cognitive, la couche physique doit tre pense afin de sadapter son environnement (canal radio, interfrences, ). Ainsi, des couches physiques robustes des excisions dans la bande utile ( la fois lmission et a la rception) doivent tre imagines pour permettre lutilisation au plus prs de la ressource disponible. De mme, il serait opportun que le la couche physique soit en mesure de remonter des paramtres de mtrologie de type apparition dune mission concurrente (localisation temps-frquence), valuation du rapport signal bruit et interfrences, A ces fins, il est ncessaire que le systme soit robuste en termes de synchronisation et destimation de canal/interfrence pour proposer des informations pertinentes. Pour garantir la robustesse du modem, diffrents axes doptimisation sont envisageables tels que les performances du systme de codage, dentrelacement (avec connaissance a priori des bandes/sous-bandes brouilles), de modulation (OFDM, OFDM-A, modem mono-porteuse, galisation spectrale,..). Des solutions de drive du modem de faon non cooprative peuvent tre envisages, reposant sur les performances des estimateurs (synchronisation temps-frquence, largeur de bande,) Les contraintes dimplmentation ne peuvent tre ngliges lors de ltablissement et de lvaluation de capacit des radios opportunistes. En effet, il sagit, selon cette approche daller plus loin que le concept de software radio. Lagilit du terminal doit tre amliore en termes de largeur de bande passante, de forme donde mais surtout en rapidit. Cette performance ne pourra tre obtenue quau prix dune optimisation prenant en compte toutes les couches du systme et en effectuant un co-design de lensemble des composantes : antenne/radio/bande de base/algorithme. Enfin, la mise au point dun front-end sensing basse consommation permettrait un fonctionnement simultan du sondage de spectre et de la communication, permettant la mise en place dune quantit de capacits importantes de gestion du spectre.


LA RADIO COGNITIVE

II/ ArchitectureL'architecture est un ensemble cohrent de rgles de conception par laquelle un ensemble spcifique de composants ralise une srie de fonctions. Nous allons traiter dans cette partie larchitecture dune radio cognitive, dans laquelle des SDR, des capteurs seront intgrs pour crer une meilleure qualit dinformation (QoI) et dvelopper des capacits observer, orienter, planifier, dcider, agir et apprendre lenvironnement de lutilisateur et les ressources frquentielles.

1) Les composants fonctionnels de larchitecture.

The CRA augments SDR with computational intelligence.


LA RADIO COGNITIVE

On peut observer dans la figure ci-dessus des composants SDR avec des composants cognitifs. Ces composants cognitifs dcrivent le SDR en radio XML ; ainsi le systme que c'est une radio et que son objectif est d'atteindre de hautes QoI adaptes ses propres utilisateurs. RXML dlivre aussi bien la radio que des connaissances dynamiques telles que les scnes de l'espace et du temps perues et vcues. Ces connaissances permettent aux deux structures davoir un raisonnement structur tout en acqurant de l'exprience. Le SDR inclut une plate-forme matrielle avec un accs aux frquences radiolectriques et des ressources informatiques. Le forum SDR a dfini une architecture de logiciels de communications (SCA) et l'Object Management Group (OMG) a dfini une architecture de logiciels Radio (SRA), semblable larchitecture des constructions pour la prochaine gnration plug and play . Ces architectures de SDR sont dfinies en modle UML (Unified Modeling Language), IDL (CORBA Interface Definition Language) et XML. La SCA se focalise sur le plug-andplay sans fil o la connectivit rseau est souvent intermittent, au mieux, sur des nuds mobiles capables de calculs, tandis que le SRA est ax sur la mise en uvre du Web sans fil. Dautre part la communaut commerciale des tlphones cellulaires, conduit par Ericsson et Nokia, envisage une architecture beaucoup plus simple pour les dispositifs mobiles sans fil, compos de deux API, une pour le fournisseur de services et une autre pour l'oprateur de rseau. Ils dfinissent un plan de la connaissance dans les futurs rseaux sans fil intelligents. Leur Wireless World Research Forum (WWRF) dfinit le modle d'activit de : l'utilisateur fournisseur de services oprateur rseau grand fabricant priphrique, o l'utilisateur achte des appareils mobiles compatibles avec les services d'un prestataire de services et l'emphase technique est dans lintelligence du rseau. Cette stratgie permettra sans aucun doute larrive des rseaux intelligents de calculs dans le proche ou moyen terme. La CRA mis au point prvoit cependant lintelligence de calcul pour crer des rseaux ad hoc faible cot avec lintelligence dans l'appareil mobile. Cette technique permet le modle d'activit suivant : utilisateur appareil rseaux htrognes, typique du modle de l'Internet o l'utilisateur achte un appareil (par exemple, un ordinateur portable sans fil) qui peut se connecter sans fil sur le World Wide Web via n'importe quel fournisseur de services Internet (ISP ). La CRA s'appuie la fois sur le SCA / SRA et le modle commercial de l'API mais aussi intgre lintelligence web smantique dans la Radio XML pour les appareils mobiles afin de permettre plus qu'un modle d'affaires Internet. SDR, AACR, et iCR forment un continuum facilit par RXML.


LA RADIO COGNITIVE

Un nud AACR est compos dune srie minimaliste de 6 composantes fonctionnelles. Un lment fonctionnel est une bote noire laquelle des fonctions ont t attribues, mais pour laquelle la mise en uvre des composants nest pas prcise. Ainsi, bien que les applications de ces composants soient susceptibles d'tre principalement de type logiciel, les dtails de ces composants logiciels ne sont pas prciss.

Minimal AACR node architecture.

Les six composantes fonctionnelles CRA sont: 1. La perception sensorielle de l'utilisateur qui inclut l'interface haptique (du toucher), acoustique, la vido et les fonctions de dtection et de la perception. Les fonctions SP de lutilisateur peuvent inclure un matriel optimis, par exemple, pour calculer les vecteurs de flux vido en temps rel pour aider la perception dune scne. 2. Les capteurs de l'environnement local (emplacement, la temprature, l'acclromtre, compas, etc.) 3. Les applications systme (les services mdias indpendants comme un jeu en rseau). 4. Les fonctions SDR (qui incluent la dtection RF et les applications radio de la SDR). 5. Les fonctions de la cognition (pour les systmes de contrle, de planification, de l'apprentissage). 6. Les fonctions locales effectrices (synthse de la parole, du texte, des graphiques et des affiches multimdias).


LA RADIO COGNITIVE

Ces lments fonctionnels sont implments sur une plate-forme radio cognitive ; une infrastructure matriel-logiciel supporte les six fonctions. Ces lments vont au-del de la SDR. Tout d'abord, la traditionnelle interface utilisateur est divise en un grand sous systme sensoriel et un sous-ensemble distinct deffecteurs locaux. L'interface utilisateur comprend des boutons sensoriels (l'interface haptique) et des micros (l'interface audio) pour y inclure la dtection acoustique qui est directionnelle, capable de traiter simultanment de multiples intervenants et notamment avec la video plein mouvement pour la perception visuelle dune scne. De plus, le sous systme audio n'est pas simplement un encodeur audio pour la transmission, mais aussi il analyse et interprte le son provenant des haut-parleurs pour une haute performance de linterface du langage naturel parl. De mme, le sous systme texte analyse et interprte le langage pour suivre ltat de linformation de l'utilisateur, en dtectant discrtement des plans et des besoins potentiels de communication et d'information, et de faon scurise pour protger les informations personnelles de l'utilisateur qui effectue des activits normales. Les effecteurs synthtisent les discours avec du texte, des graphiques et des affiches multimdias. Gnralement, les communications vocales avec un annuaire tlphonique, la messagerie texte et l'change de photos ou des clips vido correspondent aux principales applications pour les systmes SDR. Les applications de lAACR vont au-del des services offerts par les systmes SDR pour une plus grande flexibilit personnelle et le choix de la connectivit sans fil. L'utilisateur pourrait contrler le passage de lAACR dun rseau un autre en fonction du cot de la connexion.

2) Le cycle de cognitionLa composante cognitive de la CRA comprend une organisation temporelle, des flux d'infrences et des tats de contrle. Le cycle de cognition mis en uvre en Java est illustr dans la figure suivante. Ce cycle synthtise la composante de cognition de la CRA de manire vidente. Les stimuli entrent dans la radio cognitive comme des interruptions sensorielles envoyes sur le cycle de la cognition pour une rponse. Une telle radio cognitive observe l'environnement, soriente ellemme, cre des plans, dcide, et puis agit. Dans un systme d'infrence un seul processeur, le flux radio cognitif de contrle se dplace dans le cycle de l'observation l'action. Dans un systme multiprocesseur, les structures temporelles de dtection, de prtraitement, de raisonnement et daction peuvent tre plus parallle. Ce processus est appel le wakeepoch parce que le raisonnement durant ce temps est ractif l'environnement. Il peut aussi y avoir sleep-epoch pour un raisonnement introspectif et le prayer-epoch pour demander de l'aide une autorit suprieure. Pendant le wake-epoch , la rception d'un nouveau stimulus des capteurs radio cognitifs ou l'achvement d'un cycle antrieur entame un nouveau cycle de cognition.


LA RADIO COGNITIVE

Cycle de cognition simplifi.

2-1/ La phase dobservation (dtecter et percevoir)La radio cognitive observe son environnement par l'analyse du flux de stimuli entrant. Cela peut inclure la surveillance de conversion audio-texte des diffusions radios (par exemple, la chane mto). Dans la phase d'observation, la radio cognitive associe lemplacement, la temprature, le niveau de lumire des capteurs, et ainsi de suite pour en dduire le contexte de communication. Cette phase lie ces stimuli des expriences antrieures pour discerner les modles au fil du temps. La radio cognitive rassemble les expriences en se souvenant de tout. Toutes les audio, tous les e-mails, et toutes les situations radio que quelquun pourrait exprimenter en une anne occupe quelques centaines de giga-octets d'espace, selon le dtail conserv. L'architecture de calcul pour mmoriser et corrler rapidement les expriences actuelles avec tout ce qui est connu avant est donc une base de la capacit de l'ARC. La phase dobservation englobe l'Utilisateur SP, l'environnement, et le traitement des capteurs radiofrquences de la SDR et de la CRA.


LA RADIO COGNITIVE

2-2/ La phase dorientationLa phase d'orientation dtermine l'importance d'une observation en liant celle-ci une srie connue de stimuli. Cette phase fonctionne l'intrieur des structures de donnes qui sont analogues la mmoire court terme (STM), que les gens emploient pour sengager dans un dialogue sans forcment se souvenir de tout la mme mesure que dans la mmoire long terme. Le milieu naturel fournit la redondance ncessaire pour lancer le transfert de la STM la mmoire long terme (LTM). Dans la CRA, le transfert de la STM LTM est fait par le cycle du sommeil dans lequel le contenu de la STM depuis le dernier cycle de sommeil est analys. La correspondance entre les stimuli courants et les expriences stockes se fait par reconnaissance des stimuli ou par reliure. La reconnaissance des stimuli se produit quand il ya une correspondance exacte entre un stimulus courant et une exprience antrieure. La raction peut tre approprie ou dans l'erreur. Chaque stimulus est situ dans un contexte plus large, qui inclut d'autres stimuli et les tats internes, y compris le temps. Parfois, la phase d'orientation provoque une action qui sera lanc immdiatement comme un comportement ractif stimulus-rponse . Une panne d'lectricit, par exemple, peut directement invoquer un acte qui sauve les donnes (le chemin immdiat de la phase Action sur la figure). Une perte de signal sur un rseau peut invoquer une raffectation de ressources. Cela peut tre accompli via la voie marque urgentes dans la figure. La liaison se produit quand il y a une correspondance exacte entre une srie de stimuli courants et une exprience antrieure et des critres trs gnraux d'application de l'exprience antrieure la situation actuelle sont respects. Les liaisons dterminent aussi les priorits associes aux stimuli.

2-3/ La phase de planificationLa plupart des stimuli sont traits avec dlibrative plutt quavec ractivit. Un message entrant du rseau serait normalement trait par la gnration d'un plan (dans la phase de plan, la voie normale). Dans la recherche de qualit et de solidit industrielle des radios cognitives, les modles formels de la causalit seraient intgrs dans les outils de planification. Le plan devrait galement inclure la phase de raisonnement dans le temps. Gnralement, les rponses ractives sont prprogrammes ou apprises en tant dit, tandis que d'autres ractions de dlibration sont prvues. Des outils de planification comme lOPRS (Open source planning Tools) peuvent tre intgrs dans la phase de planification. Des outils de planification permettent la synthse de radiofrquences et des comportements d'accs l'information dans le but datteindre un objectif bas sur les perceptions, les rgles darchitectures radio, et les prfrences de l'utilisateur appris auparavant.


LA RADIO COGNITIVE

2-4/ La phase de dcisionLa phase de dcision slectionne parmi les plans candidats. La radio peut alerter l'utilisateur dun message entrant (exemple : paging) ou reporter l'interruption plus tard (par exemple, se comporter comme une secrtaire qui filtre les appels pendant une runion importante) en fonction des niveaux de QoI status dans cette phase.

2-5/ La phase de lactionCette phase lance les processus slectionns qui utilisent les effecteurs slectionns qui accdent au monde extrieur ou aux tats internes de la radio cognitive. L'accs au monde extrieur consiste principalement composer des messages qui doivent tre envoys dans l'environnement en audio ou exprims dans diffrents langages, texte, RXML appropris. Les actions sur les tats internes comprennent le contrle de ressources telles que les canaux radio. Une action radio cognitive peut galement actualiser les modles internes, par exemple, l'ajout de nouveaux modles aux modles internes existants. Une exprience peut tre activement intgre dans les structures de connaissances RXML. L'acquisition de connaissances pourrait tre acheve par une action qui cre les structures de donnes appropries.

2-6/ La phase dapprentissageLapprentissage dpend de la perception, des observations, des dcisions et des actions. L'apprentissage initial est ralis travers la phase dobservation dans laquelle toutes les perceptions sensorielles sont continuellement compares l'ensemble de l'exprience antrieure pour continuellement compter les vnements et se souvenir du temps coul depuis le dernier vnement. L'apprentissage peut se produire quand un nouveau modle est cr en rponse une action. Par exemple, les tats internes antrieurs et courants peuvent tre compars avec les attentes pour en apprendre davantage sur l'efficacit d'un mode de communication.


LA RADIO COGNITIVE

III/ Applications de la Radio cognitiveLes applications sont souvent incluses dans la dfinition de la radio cognitive en raison du caractre imprieux et des applications uniques offertes par la radio cognitive. En outre, il existe de nombreuses techniques de radio logicielle que la radio cognitive est cens amliore. Cette partie passe en revue les lments suivants souvent prconis applications de la radio cognitive :

-Amlioration de l'efficacit spectrale ; -Amlioration de la fiabilit du lien radio ; -Topologie avance du rseau ; -Techniques de collaboration; -Automatisation de la gestion des ressources radio.

1) Amlioration de l'efficacit spectraleLes technologies sans fil et les priphriques sans fil se sont multiplis de faon spectaculaire au cours de cette dernire dcennie avec laccroissement de la demande de spectre lectromagntique. En raison de l'approche actuelle de l'accs au spectre, l'offre n'a pas suivi la demande, ce qui conduit l'apparition de la raret du spectre lectromagntique. Dans une tude rcente, les chercheurs de l'Universit du Kansas ont trouv un moyen doccupation du spectre de 5,2% avec un maximum d'occupation de 13,2% dans la ville de New York. Comme exemple de variations de la demande, la figure 1 montre une reprsentation des mesures spectrales effectues sous Matlab en Allemagne en large bande. Comme l'illustre la figure, il existe une variation importante du spectre sous-utilis en temps et en frquence, et bien que n'tant pas reprsent, il existe galement d'importantes variations en termes d'emplacement.


LA RADIO COGNITIVE

Capture dune chane de mesure en Allemagne [Jondral_04]

Pour amliorer lefficacit spectrale, lutilisation opportuniste du spectre a t propose permettant aux dispositifs doccuper le spectre qui a t laiss vacant. Un exemple dutilisation opportuniste du spectre est illustr la figure 2. Dans la figure 2.a, une paire de signaux porteurs transmis est prsente en basse frquence tandis qu'un systme d'accs alatoire et un systme TDMA sont utiliss en haute frquence. Aprs avoir observ le spectre, il apparat, en temps et en frquence, des endroits o le spectre est sous utilis. En revanche, des dispositifs opportunistes pourraient combler ces trous par des services simultans comme illustr dans la figure 2.b


LA RADIO COGNITIVE

Figure 2.a

Figure 2.b

La radio cognitive qui emploie le spectre opportuniste a t prsente pour fournir un gain de 10 la capacit par la mise en uvre d'algorithmes de slection dynamique des frquences. Bien sr, l'utilisation opportuniste du spectre prsente des dfis importants la rglementation technique. Les dispositifs plus autonome doivent tre en mesure de rgler certains problmes, l'accs opportuniste du spectre lorsqu'elle fonctionne bien devrait tre en mesure d'viter toute interfrence avec dautres signaux. Dans une certaine mesure, les systmes devront tre capables de fonctionner sur de multiples chelles de temps, ce qui impliquerait un contrle des processus cognitifs.


LA RADIO COGNITIVE

2) Amlioration de la fiabilit du lienAprs l'amlioration du spectre, le second aspect le plus souvent abord dans les discussions applicatives de la radio cognitive est d'amliorer la fiabilit de lien. De nombreuses radios adaptatives actuels permettent d'amliorer la fiabilit de lien par l'adaptation des niveaux de puissance de transmission, par la modulation ou par la correction d'erreurs. Toutefois, une radio cognitive qui est capable de se souvenir et dapprendre partir de ses expriences prcdentes peut aller au-del de ces simples adaptations. La figure suivante illustre un chemin suivi par un abonn mobile quand il commute vers une zone o la qualit du signal chute un niveau inacceptable (montr en rouge) en raison d'un cart de la couverture. Aprs plusieurs incidents, la radio cognitive deviendrait tre consciente de ce problme. Ensuite, par le biais de certains go-localisation ou de la capacit d'apprentissage de l'heure de la journe o cela se produit, la radio pouvait anticiper l'cart de la couverture et savoir le signal ncessaire la station de base pour modifier les caractristiques des signaux quand l'utilisateur s'approche de la couverture dficitaire.

Good

Transitional

Poor

Qualit du Signal associe une radio cognitive18Master Pro Tlcoms 2007/2008

LA RADIO COGNITIVE

3) Topologie avance du rseauLes points d'accs ou les stations de base dun rseau n'ont pas maintenir des liaisons directes des zones plus loignes des cellules. En effet, chaque station de base ne doit tre en mesure de parvenir des abonns les plus proches alors que les quipements plus loin de la station de base ont un accs en communiquant par le biais d'une squence de dispositifs intermdiaires pour atteindre la station. Comme l'illustre la figure ci-dessous, dans un Ad-hoc la distance moyenne de propagation pour chaque lien est beaucoup plus courte que ce serait le cas pour une topologie en toile avec le mme nombre de stations de base. Les courtes longueurs de propagation signifient qu'une plus grande efficacit spectrale peut tre atteinte, ce qui conduirait un gain de jusqu' 30 dB de la capacit du systme.

Star and Ad-hoc Topologies19Master Pro Tlcoms 2007/2008

LA RADIO COGNITIVE

Si le dploiement et les avantages ne sont pas intrinsques, les rseaux Ad-hoc ncessiterait l'utilisation de la radio cognitive. La radio cognitive peut tre considre comme une technologie habilitante. Pour quun rseau Ad-hoc opre avec succs, deux critres doivent tre satisfaits. Tout d'abord, une forte densit de nud doit tre prsente pour permettre l'utilisation d'une faible consommation d'nergie des liens. En gnral, plus les dispositifs du rseau sont denses, plus la capacit thorique de lAd-hoc est importante. Enfin, les dispositifs doivent tre capables de supporter le routage dynamique et le lien de maintenance requis pour assurer la connectivit au rseau. Ainsi donc, les radios cognitives peuvent tre utilises pour augmenter significativement la bande passante utilisable et pour de diminuer le cot des dispositifs qui implique, ce qui impliquerait une plus grande densit de priphrique. Pour le deuxime critre, l'environnement et la sensibilisation du dispositif implicite une radio cognitive faciliterait la mise en uvre dalgorithmes ncessaires pour appuyer les rseaux Ad-hoc par un lien de routage.

4) Les techniques de collaborationUne collaboration radio est une radio qui tire les services d'autres radios pour faire avancer ses objectifs ou les objectifs des rseaux. Comme prsent dans la section prcdente, la radio de collaboration peut tre considre comme une application de la radio cognitive. La radio cognitive peut tre considre comme un facteur de dveloppement de la radio de collaboration en simplifiant les processus cognitifs l'identification des partenaires potentiels et l'observation des processus intelligente facilite l'insertion de capteurs distribus. Dans une chane de relais, la radio sert d'intermdiaire dans le chemin entre le client et le dispositif d'accs. En gnral, ce processus peut tre mis en uvre au nud de relais et d'expdition en amplifiant le signal reu ou par le dcodage et la transmission du signal. Dans le premier cas, la complexit radio est relativement faible puisque le signal n'a pas besoin d'tre reu. Dans le second, cette complexit est gnralement beaucoup plus leve que le relais a compltement reu le signal transmis.


LA RADIO COGNITIVE

Une gamme dantennes distribues

Bien sr il y aura des situations o un groupe d'abonns est hors de porte d'un nud d'accs et aucun dispositif ne sera plac assez bien pour servir de relais de nud. Dans cette forme de collaboration, le dispositif de labonn permettra une porte effective qui peut augmenter de faon spectaculaire et aller assez loin pour parvenir un point d'accs. En raison de l'espacement des appareils, il semble que le beamforming sera facilement utilise pour une demande de collaboration radio, mais la diversit des applications devrait tre utilisable. Par exemple, deux applications de diversit base sur la collaboration des antennes sont illustres la figure ci-dessous. La diversit dans un simple schma d'un certain nombre de radios pu coordonner rcepteur ou de transmettre le mme signal ralisant ainsi transmettre ou recevoir un algorithme de la diversit. Avec un peu de coordination supplmentaire, ces mmes collaborateurs radios pourraient mettre en uvre un algorithme en MIMO, MISO, ou SIMO selon le contexte oprationnel.

Possibilit de gamme dantennes distribues21Master Pro Tlcoms 2007/2008

LA RADIO COGNITIVE

5) Automatisation de la gestion des ressources RadioAprs avoir dploy un rseau sans fil, les ingnieurs radio passent gnralement quelques semaines, de rgler la radio paramtres pour tirer le meilleur parti d'un rseau. Chanes allocations entre secteurs, appelez baisse des seuils, les niveaux de puissance, les horloges, les types d'antenne et de nombreux autres paramtres sont ajusts pour amliorer les performances du rseau bas sur des mesures aprs le dploiement. Avec le nombre croissant de rseaux sans fil et le mouvement de centralisation des fournisseurs de services, la ncessit d'optimiser les rseaux sans fil devienne de plus en plus importante, mais il sera impossible accomplir dans les maisons ou dans les rseaux dploys rapidement. Par exemple, Virginia Tech a pass des mois planifier soigneusement et vrifier le dploiement de son rseau local sans fil afin de maximiser la couverture avec une capacit de niveau acceptable. En raison de sa capacit observer et apprendre comment amliorer leurs performances, la radio cognitive pourrait prendre en charge la tche de rglage post-dploiement et d'actualiser automatiquement les paramtres radio, afin de mieux rpondre aux besoins de la mission. Une telle demande aurait une incidence importante sur les rseaux dploys rapidement, dans les rseaux locaux sans fil domicile (WLAN) et fixerait les infrastructures commerciales, o la radio cognitive devrait tre en mesure de rduire la demande dingnierie post-dploiement.


LA RADIO COGNITIVE

CONCLUSION

En tenant compte des standards radios existants ou mergents, on peut constater que dans un mme environnement, pourraient se trouver, dans une situation de coexistence, diffrentes interfaces radio (UMTS, GSM/GPRS, WIFI, WIMAX) qui offrent une varit de services. Dun point de vue oprateur, une gestion optimise du spectre simpose pour pouvoir tirer le maximum profit de la bande passante globale disponible. La radio cognitive est une technologie mergente rcemment propose pour mettre en uvre une certaine forme d'intelligence permettant un terminal davoir des capacits dapprentissage : sentir lenvironnement radio du terminal et sy adapter. Cela offre aux utilisateurs un dbit et une QoS accrus, globalement une augmentation du confort dans leurs communications. Le dveloppement de terminaux agiles en frquence qui seraient capables de sentir les trous dans le spectre (plus exactement dfinis comme une disponibilit de frquences en fonction des lments de compatibilit des systmes existants et nouveaux) et dadapter leurs caractristiques de transmission pour utiliser ces trous pourrait fournir un outil pour optimiser l'utilisation du spectre.. Une telle adaptation lenvironnement radio peut tre exploite bien au del de la simple exploration du spectre et du partage des ressources spectrales.


LA RADIO COGNITIVE

GLOSSAIRE

RF: QoI: SDR: CRA: RXML: API: SRA: SCA: AACR: iCR: SP: STM: LTM:

Radio Frequency Quality of Information Software-Define Radio (radio logicielle) Cognitive Radio Architecture Radio XML Applications-Programmer Interfaces Software Radio Architecture Software Communications Architecture Adaptative Aware Cognitive Radio ideal Cognitive radio Sensorial Perception Short Term Memory Long Term Memory


LA RADIO COGNITIVE

REFERENCES[1] J. Mitola, Cognitive Radio Architecture: The Engineering Foundations of Radio XML , Wiley 2006, Hardcover, 473 pages [2] H.-H. Chen, M. Guizani, Next Generation Wireless Systems and Networks, Wiley 2006, Hardcover, 512 pages Federal Communications Commission, Cognitive Radio TechnologiesProceeding (CRTP), http://www.fcc.gov/oet/cognitiveradio/. [4] http://en.wikipedia.org/wiki/Cognitive_radio .

[3]


Documents

Radio Cognitive